Illuminazione Intelligente

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1 Illuminazione Intelligente Relazione Progetto Dimostrativo Sistemi a Microcontrollore 2018 Autore/i: Carlo Sau 1. Introduzione (motivazione e obiettivi progetto) Il progetto dimostrativo riguarda lo sviluppo di un sistema intelligente che consenta il controllo di un led in modo da ottimizzarne i consumi in base ai requisiti dell utente e all effettivo bisogno di luminosità nell ambiente in cui si opera. Il sistema può essere inteso come una simulazione di un dispositivo per la domotica che regola l impianto di illuminazione di un abitazione in relazione alla luce presente nelle diverse stanze coinvolte e in relazione all interazione con l utente attraverso una connessione remota. L impianto di illuminazione dell abitazione viene rappresentato da un led a luce verde, l acquisizione della luminosità nell ambiente avviene attraverso una fotoresistenza, mentre la connessione remota è simulata attraverso una comunicazione seriale con dispositivi UART. L obiettivo del progetto è quello di realizzare un sistema in cui la luminosità del led sia inversamente proporzionale alla luminosità presente nell ambiente: se vi è un alta quantità di luce il led deve avere una luminosità minima (l illuminazione in una stanza deve rimanere spenta se c è già abbastanza luce); se la quantità di luce è bassa il led deve avere una luminosità elevata (l illuminazione in una stanza va attivata e proporzionata in base alla luminosità già presente in modo da garantire un livello di luce medio, dato dalla luce artificiale e naturale, circa costante). Quella descritta finora rappresenta la modalità operativa principale del sistema. Tuttavia è necessario poter disattivare tale modalità e spegnere permanentemente il led su richiesta esplicita (tramite la connessione remota) dell utente. Questa situazione, nel sistema di domotica esemplificato, corrisponde a quella in cui l inquilino dell abitazione non è in casa e dunque desidera disabilitare l impianto di illuminazione intelligente. 2. Circuito Il progetto prevede l utilizzo della scheda di sviluppo Arduino Uno, che integra un microcontrollore ATmega328p. Inoltre, come premesso, è stato necessario l utilizzo di alcuni componenti base: un led a luce verde; una fotoresistenza. Sono stati necessari anche alcuni componenti aggiuntivi per garantire un corretto funzionamento del sistema: una resistenza da 220 Ohm; una resistenza da 12k Ohm. Il circuito risultante è quello in Figura 1 dove sono presenti sostanzialmente due partitori resistivi: uno per acquisire la luminosità presente nell ambiente attraverso la fotoresistenza; uno per pilotare il led in modo da ottenere diverse luminosità.

2 Il primo partitore comprende la resistenza R S da 12k Ohm e la fotoresistenza R F. Quest ultima ha un intervallo di variazione dei valori di resistenza che va circa da 10 Ohm a 25k Ohm. Il valore di resistenza della fotoresistenza è inversamente proporzionale alla quantità di luce assorbita, perciò il valore 10 Ohm corrisponde alla condizione di luminosità massima, mentre il valore 25k Ohm corrisponde alla condizione di luminosità minima. Il partitore resistivo per l acquisizione della quantità di luce presente nell ambiente prevede che la resistenza fissa R S sia connessa tra l alimentazione e il punto intermedio, mentre la fotoresistenza sia tra il punto intermedio e massa. La tensione del punto intermedio V F in questo modo risulterà inversamente proporzionale alla quantità di luce presente nella stanza e, una volta acquisita dal microcontrollore presente sulla scheda di sviluppo, potrà essere usata direttamente per pilotare il led. Figura 1 Circuito utilizzato per realizzare il progetto per il controllo intelligente di un led. La tensione V F si può calcolare a partire dall equazione di maglia del partitore. Infatti la tensione di alimentazione V dd è pari a: dove V S è pari alla tensione ai capi della resistenza da 12k Ohm R S. La corrente che scorre nel partitore sarà dunque pari a: Dunque, considerando l intervallo di variazione della fotoresistenza R F, si avrà che per il valore minimo di 10 Ohm (massima luminosità) la corrente vale: In corrispondenza di tale corrente, la tensione ai capi della fotoresistenza, indicatore inversamente proporzionale alla luminosità, sarà pari a:

3 In corrispondenza di valori medi di resistenza R F, ad esempio 12k Ohm (luminosità media), il valore della corrente sarà: e il corrispondente valore di V F risulterà: Infine, per valori alti di resistenza R F, ad esempio 25k Ohm (luminosità bassa), il valore della corrente sarà: e il corrispondente valore di V F risulterà: La Tabella 1 riporta la variazione delle grandezze di interesse nel circuito, ed in particolare di V F indicatore inversamente proporzionale alla luminosità che viene preso in considerazione per pilotare il led, al variare della luminosità assorbita dalla fotoresistenza. Il valore di V F viene acquisito dal microcontrollore attraverso il pin di ingresso analogico A0. Tabella 1 Valori assunti dalle grandezze di interesse nel circuito a seconda della quantità di luce assorbita dalla fotoresistenza. luce R F I V F alta 10 Ω 0.4 ma 4 mv media 12 kω 0.2 ma 2.4 V bassa 100 kω 0.04 ma 4.48 V Il secondo partitore resistivo è quello costituito dal led e dalla resistenza R L pari a 220 Ohm. Il morsetto positivo del led è connesso al pin di uscita analogica (PWM) 6 del microcontrollore, mentre il morsetto negativo è connesso al nodo intermedio. La resistenza R L invece è posta tra lo stesso nodo intermedio e massa. La tensione di soglia di un led verde che consente l emissione di luce è pari a 2 V, per cui quando la tensione tra pin 6 e nodo intermedio diventa maggiore o uguale a 2 V il led inizia ad emettere luce verde. L uscita analogica del pin 6 ha un intervallo di variazione che va da 0 V a 5 V. Per tensioni maggiori ai 2 V sul pin 6 la caduta di tensione ai capi del led non aumenterà di tanto rispetto ai 2 V della tensione di soglia, mentre aumenterà quella ai capi della resistenza R L. Un vincolo importante da tenere in considerazione quando si utilizzano dei led è quello relativo alla corrente massima che vi può scorrere. Per un led verde questo valore è pari a 20 ma. La resistenza R L pari a 220 Ohm consente quindi di rispettare tale vincolo in quanto: dove V L è la tensione ai capi della resistenza R L, è la tensione massima erogabile dal pin di uscita analogica 6 (pari a 5 V) e V th è la tensione di soglia per un led verde. Va notato che l intervallo di variazione della tensione dell uscita analogica 6, che va da 0 a 5 V, consente di andare da una condizione in cui il led è totalmente spento (V PWM minore di 2 V) a una in cui il led è

4 totalmente acceso (V PWM pari a 5 V), passando per tutti gli stati intermedi in cui il led risulterà parzialmente accesso o comunque acceso ma con una luminosità non massima. 3. Codice Il microcontrollore presente nella scheda di sviluppo è stato programmato in modo da implementare le funzionalità desiderate in base alle connessioni dei pin della scheda con i componenti utilizzati. In particolare tali pin sono: un ingresso analogico per il monitoraggio della luminosità nell ambiente; un uscita analogica per il pilotaggio del led a luce verde. Per una corretta acquisizione del valore del pin di ingresso occorre utilizzare il convertitore analogico digitale presente nel microcontrollore, mentre per la corretta generazione del valore del pin di uscita occorre pilotare un uscita PWM. Inoltre è necessario gestire una connessione seriale per l acquisizione di comandi remoti dell utente in base ai quali il sistema viene acceso e spento. Per la realizzazione del codice in questione sono state utilizzate diverse librerie: avr/io.h, per la gestione semplificata del mappaggio in memoria, dei bit di configurazione e dei vettori di interrupt; avr/interrupt.h, per la gestione degli interrupt (utilizzati in caso di ricezione di caratteri tramite connessione seriale); util/delay.h, per la generazione di ritardi controllati; uart.h, per la gestione della comunicazione seriale tramite il dispositivo UART presente nel microcontrollore. Il codice sviluppato si può dividere in 3 parti principali: l acquisizione analogica, la generazione analogica e l accensione/spegnimento remoto. L acquisizione analogica necessita di un inizializzazione, per configurare la modalità di funzionamento del convertitore analogico digitale, e di una lettura, ogni volta che si vuole acquisire il pin. Per quanto riguarda la configurazione si è deciso di utilizzare il convertitore a piena risoluzione (10 bit). In tali condizioni la frequenza di clock con cui va pilotato il convertitore deve essere la minima possibile (125 khz) corrispondente a un prescaling di 128 (i bit di configurazione ADPS2:0 andranno posti tutti a 1) per il microcontrollore in questione, l ATmega328p, che ha una frequenza operativa di 16 MHz. Inoltre è necessario abilitare il convertitore settando l apposito bit di configurazione (ADEN) e predisporre come tensione di riferimento quella disponibile internamente al microcontrollore e pari a 5 V (bit di configurazione REFS1:0 pari al valore decimale 1). Il codice risultante per ottenere la configurazione indicata è il seguente: ADMUX = (1<<REFS0); // AREF = AVcc // ADC Enable and prescale of 128 ( /128 = ) ADCSRA = (1<<ADEN) (1<<ADPS2) (1<<ADPS1) (1<<ADPS0); Per quanto riguarda invece l acquisizione vera e propria è stata realizzata una funzione adc_read(int ch) che ha come parametro l indice del pin di ingresso analogico da cui leggere il valore e che ritorna un intero a 10 bit. Il parametro viene utilizzato per configurare opportunamente il multiplexer in ingresso al convertitore (i 3 bit meno significativi di ADMUX devono assumere il valore dell indice). La conversione ha inizio quando viene settato il bit di configurazione ADSC. Tale bit rimane alto per tutta la durata della conversione, per cui viene effettuato il polling su tale valore per capire quando la conversione termina. Una volta conclusa la

5 conversione, il valore acquisito dal pin il cui indice viene specificato come parametro viene passato come valore di ritorno della funzione. Il codice di adc_read(int ch) è riportato di seguito: int adc_read (int ch) { // configure ADC to read the selected channel ch &= 0b ; ADMUX = (ADMUX & 0xF8) ch; // start a single conversion on the ADC ADCSRA = (1<<ADSC); // wait for conversion to complete while(adcsra & (1<< ADSC)); return ADC; Anche per quanto riguarda la parte di generazione analogica si può distinguere la fase di configurazione (eseguita una volta sola all inizio del programma) da quella di utilizzo (eseguita ripetutamente una volta effettuata la configurazione). Per la generazione analogica è necessario utilizzare uno dei timer/counter del microcontrollore per generare un uscita PWM. In questo caso non sono presenti particolari vincoli temporali per quanto riguarda la velocità di variazione dell uscita, la fase dell onda quadra generata o il conteggio massimo, per cui è possibile utilizzare un timer/counter a 8 bit (il timer/counter 0) senza prescaling (CS02:0 pari a 1 in decimale) in modalità Fast PWM (WGM04:0 pari a 3 in decimale). Inoltre, per generare l uscita PWM dal pin 6 della scheda di sviluppo è necessario settare i bit di configurazione COM0A1:0 al valore decimale 2 (non inverted PWM), nonché configurare il pin in questione (pin 6 della porta D del microcontrollore) come un uscita (bit di configurazione DDRD6 pari a 1). Il codice risultante per la configurazione della generazione analogica è il seguente: DDRD = (1<<DDD6); TCCR0A = (1<<COM0A1) (1<<WGM01) (1<<WGM00); // set timer/counter0 to fast PWM TCCR0B = (1<<CS00); // without prescaling La fase di utilizzo viene realizzata attraverso un ciclo infinito in cui ad intervalli temporali prefissati (ogni 500 ms, contati attraverso la funzione di libreria _delay_ms()) viene assegnato un valore al registro di configurazione del timer OCR0A, che determina il duty cicle dell onda PWM e dunque il corrispondente valore dell uscita analogica. Il ciclo prevede che il comportamento del sistema sia differenziato in base a un flag is_off che memorizza lo stato di accensione o spegnimento generale del led voluto dall utente. Se is_off è pari a 0 (il led è acceso), allora si procede ad acquisire il pin di ingresso analogico (adc_read(0)) e lo si associa ad una variabile temporanea chiamata value. Tale variabile viene inviata in remoto tramite la connessione seriale a scopo di debug. Inoltre value viene utilizzata come nuovo valore di OCR0A. Per massimizzare l effetto sul led occorre considerare l ingresso varia da 4 mv a 4.48 V ed è rappresentato con 10 bit, mentre l uscita varia da 0 V a 5 V e viene rappresentata da 8 bit. La risoluzione del convertitore analogico digitale è pari a: Il valore analogico acquisito con tale risoluzione varierà dunque da 0 a 896 (valore assunto per un voltaggio pari a 4.48 V). Per consentire al massimo valore acquisito dal pin di ingresso analogico di essere rappresentato dagli 8 bit dell uscita analogica occorre risolvere l equazione risultante dalla proporzione:

6 La proporzione in questione ed in particolare l equazione da essa risultante rappresenta anche l operazione da effettuare ogni qual volta viene acquisito un valore a 10 bit che si desidera scalare a 8 bit per portarlo in uscita. Tuttavia in questo caso non verrebbe sfruttata l intera scala di valori di uscita in quanto i valori maggiori di 224 non verrebbero mai generati. Per sfruttare tutta la scala di valori di uscita occorre cambiare il fondo scala utilizzato nella proporzione per l uscita a 8 bit (256) e far sì che esso sia tale per cui con un valore di ingresso a 10 bit pari a 896 (massimo valore in ingresso) si abbia in uscita il valore massimo rappresentabile con 8 bit, ovvero 255: Con tale fondo scala per i valori di uscita a 8 bit, la conversione del valore analogico a 10 bit acquisito y in un valore per l uscita analogica a 8 bit x sarà effettuata come: Tale conversione verrà dunque utilizzata per determinare il valore di OCR0A a partire dalla variabile temporanea value in cui viene memorizzato il valore acquisito dalla fotoresistenza quando is_off è 0. Nel caso in cui is_off sia diverso da 0, non viene effettuata alcuna acquisizione analogica, invio seriale di debug o conversione, ma viene posto il valore di OCR0A a 0 in modo da avere un uscita analogica pari a 0 V. Il codice corrispondente alla fase di utilizzo della generazione analogica è il seguente: while(1){ _delay_ms(500); if(!is_off) { // if led is ON value = adc_read(0); // acquire value from photoresistor USART_printf("Photoresistor data %d\r\n",value); // print value OCR0A = value*291/1024; // set value as PWM output else { // if led is OFF OCR0A = 0; // set 0 as PWM output La parte di accensione/spegnimento remoto si occupa di acquisire un carattere ricevuto dalla connessione seriale e, in base al suo valore, di accendere o spegnere il led. Tale funzionalità viene gestita attraverso interrupt, in particolare quello relativo alla ricezione di un carattere nel dispositivo UART. Anche questa parte di codice può essere divisa in due fasi: configurazione e utilizzo. La configurazione prevede l inizializzazione della UART attraverso la funzione di libreria USART_init(), che imposta la comunicazione con baud rate pari a 9600, 8 bit di dato, nessun bit di parità e 1 bit di stop. Durante la configurazione è inoltre necessario abilitare la sorgente di interrupt utilizzata (il bit di configurazione RXCIE0 va posto a 1) e va settato il bit di enable globale degli interrupt (funzione di libreria sei() che richiama direttamente l omonima istruzione macchina del microcontrollore). Il codice corrispondente alla fase di configurazione per l accensione/spegnimento remoto è il seguente: USART_init(); // enable interrupts locally and globally UCSR0B = (1<<RXCIE0); sei(); La fase di utilizzo per l accensione/spegnimento remoto avviene attraverso il flag is_off. Tale flag, utilizzato anche nella parte di generazione analogica, può essere modificato solamente in seguito alla ricezione di un carattere per via seriale e alla relativa interrupt service routine. La routine effettua in primo luogo una stampa di debug sulla stessa seriale ad indicare la ricezione di tale interrupt da parte del microcontrollore.

7 Dopodiché effettua una lettura di un carattere dal dispositivo UART attraverso la funzione di libreria USART_receive(). Se il carattere ricevuto è 0 allora il flag is_off viene posto a 1 (abilitando lo spegnimento permanente del led), se è 1 il flag is_off viene posto a 0 (abilitando il pilotaggio del led attraverso il valore acquisito dalla fotoresistenza). In entrambi i casi è prevista una stampa di debug che indica l azione intrapresa dal microcontrollore in seguito alla ricezione seriale. La parte di codice relativa alla fase di utilizzo dell accensione/spegnimento remoto è il seguente: int is_off = 0; ISR(USART_RX_vect) { USART_printf("UART RECV ISR\r\n"); // read the received character char recv = USART_receive(); if(recv == '0') { // if 0, turn the led off USART_printf("Led turned OFF\r\n"); is_off = 1; else { // if 1, turn the led on USART_printf("Led turned ON\r\n"); is_off = 0; Dal codice così sviluppato dunque il sistema, di default, inizierà a regolare la luminosità del led in base al valore acquisito dalla fotoresistenza ad intervalli di circa 500 ms. Contestualmente stamperà il valore acquisito a scopo di debug. L utente potrà modificare tale funzionamento andando a spegnere permanentemente il led inviando uno 0 tramite la connessione seriale. La regolazione intelligente del led potrà essere riabilitata inviando un 1 tramite la stessa connessione seriale. Il codice completo viene riportato nell appendice A. 4. Conclusioni Il progetto sviluppato è un esempio di sistema di illuminazione intelligente in ambito domotico. In questo sistema l illuminazione artificiale, rappresentata da un led a luce verde, viene pilotata in maniera ottimizzata tenendo conto delle condizioni di luminosità dell ambiente attraverso un sistema di acquisizione implementato con una fotoresistenza. L illuminazione può essere eventualmente disattivata permanentemente dall utente tramite una connessione remota per far fronte a situazioni in cui, ad esempio, l inquilino di un abitazione desideri spegnere ogni fonte di illuminazione artificiale quando non è a casa. Appendice A L appendice riporta, per completezza, l intero codice sviluppato per il progetto di illuminazione intelligente. #define F_CPU UL #include <avr/io.h> #include <avr/interrupt.h> #include <util/delay.h> #include "uart.h" int is_off = 0;

8 ISR(USART_RX_vect) { USART_printf("UART RECV ISR\r\n"); // read the received character char recv = USART_receive(); if(recv == '0') { // if 0, turn the led off USART_printf("Led turned OFF\r\n"); is_off = 1; else { // if 1, turn the led on USART_printf("Led turned ON\r\n"); is_off = 0; int adc_read (int ch) { // configure ADC to read the selected channel ch &= 0b ; ADMUX = (ADMUX & 0xF8) ch; // start a single conversion on the ADC ADCSRA = (1<<ADSC); // wait for conversion to complete while(adcsra & (1<< ADSC)); return ADC; int main(void){ USART_init(); USART_printf("START\r\n"); int value; DDRD = (1<<DDD6); TCCR0A = (1<<COM0A1) (1<<WGM01) (1<<WGM00); // set timer/counter0 to fast PWM TCCR0B = (1<<CS00); // without prescaling ADMUX = (1<<REFS0); // AREF = AVcc // ADC Enable and prescale of 128 ( /128 = ) ADCSRA = (1<<ADEN) (1<<ADPS2) (1<<ADPS1) (1<<ADPS0); // enable interrupts locally and globally UCSR0B = (1<<RXCIE0); sei(); while(1){ _delay_ms(500); if(!is_off) { // if led is ON value = adc_read(0); // acquire value from photoresistor USART_printf("Photoresistor data %d\r\n",value); // print value OCR0A = value*291/1024; // set value as PWM output else { // if led is ON OCR0A = 0; // set 0 as PWM output